beat365官方网站量子材料科學中心、納米器件物理與化學教育部重點實驗室、北京量子信息科學研究院陳劍豪研究員課題組與謝心澄院士等合作，在二維反鐵磁絕緣體中觀測到巨大的電可調磁振子輸運各向異性。2023年5月2日，相關研究成果以“範德瓦爾斯反鐵磁絕緣體中的巨大電可調磁振子輸運各向異性”（Giant electrically tunable magnon transport anisotropy in a van der Waals antiferromagnetic insulator）為題，在線發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。

各向異性是材料系統中對稱性降低的表現，具有深遠的基礎和應用研究意義。磁各向異性是磁性材料的重要性質，基于磁各向異性電阻（GMR）效應制成的磁存儲器是現代信息技術的基礎。近年來發現的範德瓦爾斯磁體是一種低維自旋有序體系。這種體系由于在二維超薄極限下仍然可能具有磁序，并具有高度可調性和功能化特性受到廣泛關注。對于範德瓦爾斯磁體，二維性質極大地增強了磁各向異性的影響。二維磁體的自旋波量子（磁振子）作為一種低功耗的信息載體，在未來量子增強的信息技術領域具有重要的應用潛力；然而，面内磁相互作用各向異性對二維磁振子傳輸的影響當前鮮有研究。

陳劍豪課題組長期研究低維量子材料器件物理，與合作者在低維高遷移率材料、低維拓撲材料和低維磁性材料領域完成一系列重要的研究工作，如發現原位氫化石墨烯的可控自旋軌道耦合和鐵磁-反鐵磁耦合相變（Physical Review B 102, 045402 (2020)；Physical Review B 104, 125422 (2021)），發現拓撲半金屬的對稱性破缺和非線性光電效應（Advanced Materials 30, 1706402 (2018); Nature Materials 18, 476 (2019)），實現二維反鐵磁體中電控的磁振子閥（Nature communications 12,6279 (2021)）等。其中，課題組于2021年實現了二維反鐵磁絕緣體MnPS₃中二次諧波磁振子信号的完全可逆電調控，首次演示了擴散型磁振子邏輯非門，實現了可完全開關、易于小型化和集成化的電控磁振子閥。磁振子邏輯是一種嶄新的低功耗數字電路方案，未來有望成為基于電荷邏輯方案的良好補充。為實現更多和更複雜的磁振子邏輯，如能進一步利用二維磁振子輸運中的各向異性，将帶來嶄新的自旋電子學應用。

近日，陳劍豪課題組與beat365謝心澄院士、進藤龍一（Ryuichi Shindo）研究員、童廉明研究員，複旦大學肖江教授、吳施偉教授，北京師範大學劉翌研究員和中山大學于鵬副教授等合作，發現二維磁體中與磁交換各向異性相關聯的磁振子輸運各向異性，且該各向異性具有高度電可調性。

研究基于具有面内磁交換各向異性的二維反鐵磁絕緣體CrPS₄，實驗發現其中沿磁交換強度不同的晶軸傳播的熱磁振子具有不同的強度和直流栅極電調制響應（圖1）。由于沿弱磁交換強度晶軸的磁振子二次諧波信号弱且在較小栅極電流下即可調至0（“關”态），而沿強磁交換強度晶軸的磁振子二次諧波信号強且需較大栅極電流才可調至0，CrPS₄中的熱磁振子輸運表現出巨大的電可調各向異性，其各向異性比值理論上可以從1（各向同性）調到無窮大。基于二維磁振子輸運模型的量化理論分析表明，本征的面内磁各向異性導緻的二維各向異性自旋塞貝克效應是電可調性的關鍵。最後利用如此大且可調的磁振子各向異性，構造了一種全新原理的隻讀存儲器，演示了用ASCII碼編碼的“PKU”三個字母的讀取（圖2）。該研究首次觀測到了巨大的電可調磁振子輸運各向異性，并展示了各向異性二維磁振子在信息存儲和處理方面的潛力。

在線發表于《自然·通訊》的工作中,beat3652017級已畢業博士研究生齊少勉和北京量子信息科學研究院助理研究員陳迪為共同第一作者，陳劍豪為通訊作者。上述研究工作得到了國家重點研發計劃“量子調控與量子信息”重點專項、國家自然科學基金、北京市自然科學基金傑出青年科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項等項目的支持。

圖1 CrPS₄磁振子輸運的巨大電可調各向異性。(a).反鐵磁絕緣體CrPS₄的面内的磁交換各向異性，其中y方向磁交換強度較大，x方向較小。(b). CrPS₄的各向異性磁振子輸運器件光學顯微照片，其中注入端、栅極和探測端電極分别用黃色、紅色和綠色标記。通過機械剝離的樣品具有清晰可辨的邊緣和特征角度，便于制備沿x和y方向傳播的磁振子閥器件。(c).沿不同方向傳播的磁振子強度，交換強度較強方向的信号強度約是較弱方向的5倍。(d).不同方向磁振子輸運的電調制曲線，交換強度較弱的方向零點更早出現。(e).電流調制的各向異性比值，從0到無窮大。插圖顯示了實驗上實現的高達2500000%的電控各向異性。

圖2基于電可調各向異性的磁振子隻讀存儲原型器件。(a-f).施加一定的調制電流I_gate，基于各向異性存儲的信息可在60μA讀取電流I_read激勵下，由非局域的輸出端依次讀出。上圖展示了三個8位存儲器件，分别存儲了“PKU”的ASCII碼。

論文原文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-38172-7